姚有文,陳 忱,趙 云,肖 煒,方建義

(1.陸航駐景德鎮(zhèn)地區(qū)代表室, 江西 景德鎮(zhèn) 333000；2.中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

某型直升機(jī)起落架螺栓斷裂故障處理

姚有文1,陳 忱2,趙 云1,肖 煒2,方建義2

(1.陸航駐景德鎮(zhèn)地區(qū)代表室, 江西 景德鎮(zhèn) 333000；2.中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

對(duì)某型直升機(jī)起落架故障現(xiàn)象進(jìn)行了闡述，并從外觀、斷口等多方面進(jìn)行了原因分析，找出了螺栓斷裂的具體原因，結(jié)合該原因提出了該故障的處理方案，并總結(jié)了經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。

直升機(jī)；起落架；螺栓；故障處理

0 引言

某型直升機(jī)起落架采用的是前三點(diǎn)式布局，結(jié)構(gòu)形式為構(gòu)架式起落架。構(gòu)架式起落架主要由減震器、撐桿以及輪軸和機(jī)輪組成。減震器和撐桿分別與機(jī)身鉸接，減震器與撐桿之間也采用鉸接。該起落架主要承受起落時(shí)不規(guī)則交變撞擊載荷，同時(shí)還承受在停放時(shí)支撐直升機(jī)的靜載荷，因此起落架材料應(yīng)具有足夠高的強(qiáng)度和斷裂韌性以及足夠高的抗應(yīng)力腐蝕性能。

1 故障現(xiàn)象

某型直升機(jī)某架機(jī)左主起落架滲油故障排查時(shí)，將左主起落架拆下后恢復(fù)安裝，當(dāng)對(duì)斜撐桿與主起支撐構(gòu)架連接螺栓進(jìn)行定力時(shí)螺栓斷裂。此后現(xiàn)場(chǎng)檢查該型直升機(jī)其他架次機(jī)的相應(yīng)螺栓，拆下時(shí)螺栓外觀無異常，恢復(fù)安裝時(shí)擰緊過程中(未定力)斷裂。因此，對(duì)相關(guān)型號(hào)斜撐桿上下連接螺栓進(jìn)行了普查，發(fā)現(xiàn)多架次的直升機(jī)機(jī)均出現(xiàn)過螺栓斷裂情況，出現(xiàn)故障的直升機(jī)在役時(shí)間6～47個(gè)月不等，飛行時(shí)間118～833Fh。

1 故障原因分析

1.1 外觀檢查

根據(jù)外觀檢查發(fā)現(xiàn)，不同架次的直升機(jī)起落架螺栓斷裂位置有較大不同，其中B1螺栓在螺栓端部最后一道螺紋附近斷裂，B2螺栓在接近螺帽15mm處斷裂，B3螺栓宏觀觀察表面光滑，用手觸摸，有疑似劃痕，經(jīng)顯微鏡觀察可見裂紋，裂紋在螺帽14mm處，擴(kuò)展至圓周一半(見圖1)。因各螺栓表面未見明顯磕傷劃痕，螺栓斷裂位置各不相同且表面光滑，排除螺栓受載過大或外部磕傷導(dǎo)致斷裂的原因。

圖1 斷裂螺栓外觀

2.2 斷口分析

采用外力將B3架機(jī)螺栓打斷，三個(gè)螺栓的斷口宏觀形貌見圖2。B1螺栓瞬斷區(qū)約占斷口面積的1/6，B2螺栓瞬斷區(qū)約占斷口面積的1/7，B3螺栓瞬斷區(qū)約占斷口面積的3/5。斷口呈黑灰色和紅棕色，銹蝕明顯，瞬斷區(qū)呈銀亮金屬光澤。

圖2 斷口宏觀形貌

進(jìn)一步對(duì)斷口進(jìn)行微觀觀察發(fā)現(xiàn)，螺栓外表面一側(cè)斷口可見較厚的一層覆蓋物和大量的氧化物顆粒，顯“泥紋花樣特征”，為典型的腐蝕產(chǎn)物形貌，見圖3；從外向里，斷口的腐蝕產(chǎn)物逐漸減少，沿晶特征逐漸明顯，見圖4。

圖3 裂紋源區(qū)腐蝕形貌

圖4 裂紋源區(qū)微觀形貌

由于斷口存在明顯的腐蝕產(chǎn)物，沿晶特征明顯，螺栓工作中又持續(xù)受到拉應(yīng)力，判斷螺栓開裂性質(zhì)為應(yīng)力腐蝕斷裂。

2.3 斷裂機(jī)理分析

應(yīng)力腐蝕斷裂是指承受拉應(yīng)力的材料在特定的腐蝕環(huán)境下產(chǎn)生滯后斷裂的一種腐蝕破壞形式[1]。根據(jù)應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生的機(jī)理，應(yīng)具備三個(gè)條件：零件長期承受拉應(yīng)力，材料具有應(yīng)力腐蝕開裂敏感性，存在特定的腐蝕介質(zhì)[2,3]。

1)螺栓受力情況分析

斜撐桿上下連接螺栓安裝時(shí)均有擰緊力矩要求，因此在使用過程中零件在擰緊力矩作用下一直承受拉應(yīng)力。

2)螺栓使用環(huán)境分析

斜撐桿下接頭螺栓的安裝位置完全處于機(jī)體結(jié)構(gòu)外，且無任何遮擋，螺栓容易受到腐蝕環(huán)境的影響。

3)螺栓應(yīng)力腐蝕開裂敏感性分析

螺栓選用材料為1Cr17Ni2-φL19/GJB2294，熱處理后要求σb=1275±100MPa。按HB/Z 80-2011《航空用不銹鋼熱處理》規(guī)定，1Cr17Ni2可供選擇的回火溫度有以下兩種：480℃～540℃回火，σb=1080～1270MPa；300℃～360℃回火，σb>1270MPa。

由于1Cr17Ni2鋼的熱加工工藝復(fù)雜，化學(xué)成分的微小波動(dòng)會(huì)對(duì)熱處理后的組織和性能產(chǎn)生顯著影響[4,5]。復(fù)查過程中發(fā)現(xiàn)， 2006年以前交付的螺栓原材料生產(chǎn)廠商為撫順鋼鐵廠，熱處理回火溫度均為300℃～360℃范圍。2006年以后生產(chǎn)廠商更換為寶鋼，此材料由于成分存在一定偏差，在300℃～360℃溫度范圍內(nèi)回火，硬度會(huì)超過圖紙規(guī)定的硬度上限要求HRC43(1375MPa)，不滿足圖樣規(guī)定的σb=1275±100MPa的要求。因此航空生產(chǎn)廠采用提高回火溫度的方法(采用480℃～540℃這一檔)來降低其強(qiáng)度，而480℃～540℃正處于HB/Z 80-2011《航空用不銹鋼熱處理》說明的1Cr17Ni2脆性區(qū)間內(nèi)，該材料狀態(tài)具有應(yīng)力腐蝕敏感性特征。

因此，起落架斜撐桿螺栓具備了應(yīng)力腐蝕的三個(gè)條件，為滿足強(qiáng)度要求選擇了處于回火脆性區(qū)的熱處理制度，使材料具有了應(yīng)力腐蝕敏感性特征，降低了螺栓的抗腐蝕能力，且螺栓長期承受拉應(yīng)力并存在一定的腐蝕介質(zhì)，最終導(dǎo)致了螺栓斷裂。

3 故障處理

針對(duì)應(yīng)力腐蝕斷裂的幾個(gè)存在條件，制定了以下故障處理措施：

1) 避開應(yīng)力腐蝕敏感影響

零件和材料應(yīng)力腐蝕敏感性是本次故障的主要原因，將圖樣中螺栓強(qiáng)度要求“σb=1275±100MPa”更改為“σb>1270MPa”，增加“熱處理檢驗(yàn)類別按II類檢驗(yàn)，回火溫度限定在300℃～360℃之間”的技術(shù)要求，有效避開熱處理回火脆性區(qū)間。

另外，針對(duì)螺栓芯部階梯孔結(jié)構(gòu)，為避免在階梯面出現(xiàn)應(yīng)力集中點(diǎn)，將其更改為通孔結(jié)構(gòu)。

2)降低螺栓擰緊力矩

螺栓的拉應(yīng)力是導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕的一個(gè)因素，它主要由擰緊力和安裝時(shí)斜撐桿偏心產(chǎn)生。經(jīng)分析，起落架斜撐桿上、下連接螺栓主要受剪切載荷，對(duì)軸向載荷無特殊要求，其擰緊力矩主要起保險(xiǎn)作用，而螺母另有開口銷進(jìn)行保險(xiǎn)，因此，適當(dāng)調(diào)整了螺栓的擰緊力矩，降低其承受的拉應(yīng)力。

3)增強(qiáng)表面防護(hù)措施

針對(duì)螺栓外觀檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)的孔內(nèi)存在紅銹現(xiàn)象，除進(jìn)行不銹鋼零件的表面鈍化外，另對(duì)其通孔內(nèi)壁進(jìn)行底漆保護(hù)，提高其耐蝕性能。

4 經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)及建議

從以上分析中不難看出，此次起落架螺栓應(yīng)力腐蝕斷裂的直接原因是關(guān)鍵原材料生產(chǎn)單位更換、熱處理工藝變更而設(shè)計(jì)人員不清楚情況，因此，為避免后續(xù)出現(xiàn)類似問題，主要有以下經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)及建議：

1) 加強(qiáng)原材料的管控：關(guān)鍵材料不可隨意更改原材料供應(yīng)商，當(dāng)由于材料的更改導(dǎo)致工藝參數(shù)發(fā)生變更時(shí)，應(yīng)知會(huì)設(shè)計(jì)人員，共同協(xié)商解決措施。

2) 推動(dòng)綜合性能更高的材料的應(yīng)用：1Cr17Ni2為我國較早研發(fā)的馬氏體不銹鋼，受成分限制，其腐蝕敏感固有存在，且橫向性能較差，在480℃～560℃回火(強(qiáng)度在980～1270MPa)時(shí)會(huì)造成回火脆性，使用時(shí)應(yīng)予回避。如設(shè)計(jì)需選用該材料時(shí)，推薦使用的強(qiáng)度范圍為785～980MPa、大于1270MPa兩檔。近些年，國內(nèi)外研發(fā)了多種綜合性能優(yōu)良的不銹鋼品種，如1Cr15Ni4Mo3N、PH13-8Mo不銹鋼，不但具有很高的強(qiáng)度，還具有很好的耐蝕性，非常適合制造重要螺栓，應(yīng)開展新材料的應(yīng)用替代工作。

3) 開展充分的試驗(yàn)驗(yàn)證：對(duì)于重要受力的零件用材，應(yīng)開展多層次的性能測(cè)試和試驗(yàn)驗(yàn)證，目前對(duì)直升機(jī)復(fù)合材料的應(yīng)用已建立了積木式的試驗(yàn)驗(yàn)證程序，建議構(gòu)建金屬材料的試驗(yàn)驗(yàn)證程序，明確其應(yīng)用研究的工作內(nèi)容。

[1] 王 磊,費(fèi)敬銀,辛文利.飛機(jī)起落架應(yīng)力腐蝕斷裂及預(yù)防措施[J].材料加工工藝,2011，40(4)：186-189.

[2] 高 進(jìn),孫金廠.應(yīng)力腐蝕斷裂的判斷及其防護(hù)[J].2001(7):45-47.

[3] 菜秀光.應(yīng)力腐蝕的威海及其控制[J].化工工程與裝備,2006(2)：37-39.

[4] 李 威,李紅丹,劉 巍.1Cr17Ni2不銹鋼熱處理工藝試驗(yàn)研究[J].大電機(jī)技術(shù),2005(6)：31-33.

[5] 姚振華,徐玉松. 1Cr17Ni2鋼的熱處理工藝及性能研究[J].熱加工工藝,2005,(12)：38-39.

Experience and Lessons about the Fracture of Landing Gear Bolt of one Type of Helicopter

YAO Youwen1,CHEN Chen2,ZHAO Yun1,XIAO Wei2,FANG Jianyi2

(1.Army Aviation Department of the PLA General Staff Miliary Representative Office in Jingdezhen Region, Jingdezhen 333000, china；2.China Helicopter Research and Development Institute, Jingdezhen 333001,china)

The failure phenomenon of landing gear of one type of helicopter was illustrated. Specific reason of the crack of the bolt was found by carrying out the failure analysis through appearance and fracture analysis. Measures were taken to solve the malfunction of landing gear. Experience and lessons were put forward.

helicopter; landing gear; bolt; fault handling

2016-06-02

姚有文：(1979-)，男，安徽蕪湖人，碩士，工程師；主要研究方向：直升機(jī)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)質(zhì)量監(jiān)督。

1673-1220(2016)03-044-03

V229+.1

A